專利名稱：一種大規(guī)模人群密度分析和預(yù)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及模式識別技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及大規(guī)模人群密度分析和預(yù)測方法。
背景技術(shù)：
隨著人類社會生活的日益豐富，運(yùn)動會、展覽會和文藝演出等大型社會活動經(jīng)常 召開。這些大型社會活動給人們帶來快樂的同時也帶來了安全隱患。當(dāng)數(shù)以萬計的人群聚 集時， 一旦發(fā)生突發(fā)事件，引起人群的恐慌，很可能發(fā)生踩踏事件，危及人們的生命安全。傳 統(tǒng)的公共區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，往往是由監(jiān)控人員在監(jiān)控室觀看顯示屏來發(fā)現(xiàn)異常情況。這樣 的人工監(jiān)視的方式存在很多缺點(diǎn)。首先，當(dāng)監(jiān)控點(diǎn)非常多時，由于監(jiān)控人員有限，經(jīng)常會導(dǎo) 致不能及時發(fā)現(xiàn)危險情況。另外，人工監(jiān)視往往不能及時有效地綜合各個監(jiān)控點(diǎn)的人群密 度信息，所以無法對重點(diǎn)區(qū)域未來人群密度進(jìn)行預(yù)測。隨著智能視覺監(jiān)控技術(shù)的興起，由計 算機(jī)代替人來對公共區(qū)人群密度進(jìn)行實時監(jiān)測成為可能。智能視覺監(jiān)控技術(shù)就是要讓計算 機(jī)代替人的大腦，讓攝像頭代替人的眼睛，由計算機(jī)智能地分析圖像序列，提取有效信息， 達(dá)到智能監(jiān)控的目的。 申請?zhí)枮?00710179883. 7的發(fā)明專利提出一種基于統(tǒng)計特征的人群密度分析方 法。該方法通過對攝像頭捕捉的視頻進(jìn)行分析，由計算機(jī)自動實時地計算出當(dāng)前視頻中的 人群密度。但是該方法有幾個缺點(diǎn) D得到的人群密度是一個0到l之間的小數(shù)，表示擁擠程度，無法得到人們所關(guān)心 的具體人數(shù)。 2)不能得到人群流速和流向信息。 3)沒有涉及到對重點(diǎn)樞紐區(qū)域的人群密度進(jìn)行預(yù)測。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)所存在的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種大規(guī)模人群密度分析和預(yù) 測的方法。 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種大規(guī)模人群密度分析和預(yù)測方法，包括步 驟 步驟1 :利用基于統(tǒng)計特征的人群密度分析方法對輸入視頻作人群密度分析，實 時獲取單個監(jiān)控點(diǎn)的人群密度值。
步驟2 :通過多段線性擬合方法實現(xiàn)人群密度和人數(shù)的互相轉(zhuǎn)化。
步驟3 :采用光流法對輸入視頻的單個監(jiān)控點(diǎn)中人群流速和流向進(jìn)行計算，獲得
單個監(jiān)控點(diǎn)中人群的流速和流向。 步驟4:根據(jù)各個監(jiān)控點(diǎn)的空間位置關(guān)系和人群流向、流速關(guān)系建立一個有向圖
的結(jié)構(gòu)，對重要樞紐節(jié)點(diǎn)做一段時間內(nèi)的人數(shù)和人群密度預(yù)測。
本發(fā)明與目前國內(nèi)外發(fā)表的最新的方法相比具有幾個明顯優(yōu)點(diǎn) 1)本發(fā)明能夠自動實時監(jiān)控大范圍內(nèi)的人群密度和人數(shù)分布。
2)本發(fā)明能夠?qū)χ匾獏^(qū)域做人群密度和人數(shù)的預(yù)測。 本發(fā)明能廣泛地應(yīng)用于大型公共場所的人群監(jiān)控和管理，本發(fā)明的人群密度預(yù)測 功能，所提供的信息對于人群監(jiān)控部門具有重要的參考價值。


圖1本發(fā)明技術(shù)方案流程圖 圖2本發(fā)明中重要監(jiān)控點(diǎn)與其它監(jiān)控點(diǎn)的圖結(jié)構(gòu)示意圖
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明技術(shù)方案中所涉及的各個細(xì)節(jié)問題。應(yīng)指出的是，
所描述的實施例僅旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。 本發(fā)明的整個技術(shù)方案流程圖如附圖1所示 請參閱圖1，采用一臺具有2.8G赫茲中央處理器和1G字節(jié)內(nèi)存的奔騰4計算機(jī) 并用0++語言編制了犬規(guī)模人群密度分析和預(yù)測程序，實現(xiàn)了本發(fā)明的方法；圖1中包括 視頻輸入端V1-VN、單路人群監(jiān)控模塊A1-AN和密度和一個人數(shù)預(yù)測模塊B ;在視頻輸入端 VI輸入視頻信息，單路人群監(jiān)控模塊Al是利用基于統(tǒng)計特征的人群密度分析方法，對視頻 輸入端V1的輸入視頻實時獲取單個監(jiān)控點(diǎn)的人群密度值，再通過多段線性擬合的方法實 現(xiàn)人群密度到人數(shù)的的互相轉(zhuǎn)化；采用光流法計算出單個監(jiān)控點(diǎn)中人群的流速和流向，獲 得單個監(jiān)控點(diǎn)中人群流速和流向信息；視頻輸入端V2、單路人群監(jiān)控模塊A2及視頻輸入端 VN、單路人群監(jiān)控模塊AN分別重復(fù)上述步驟，最后由密度和人數(shù)預(yù)測模塊B根據(jù)各個監(jiān)控 點(diǎn)的空間位置關(guān)系和人群流向、流速關(guān)系建立一個有向圖的結(jié)構(gòu)，對重要樞紐節(jié)點(diǎn)做一段 時間內(nèi)的人數(shù)和人群密度預(yù)測。
1.基于統(tǒng)計特征的人群密度分析 本發(fā)明采用申請?zhí)枮?00710179883. 7的發(fā)明專利所提出的方法提取單個監(jiān)控點(diǎn) 的人群密度。所得到的人群密度是一個0 1之間的小數(shù)，描述了當(dāng)前監(jiān)控點(diǎn)的人群擁擠程度。 2.人群密度與人數(shù)的互相轉(zhuǎn)換 由于取值為0 1之間的小數(shù)的人群密度不能提供人的數(shù)量信息，本發(fā)明在這里 采用多段線性擬合的方法，實現(xiàn)人群密度和人數(shù)互相轉(zhuǎn)換。
具體方法如下<formula>formula see original document page 5</formula> 人群密度到人數(shù)的轉(zhuǎn)換<formula>formula see original document page 5</formula> 人數(shù)到人群密度的轉(zhuǎn)換 <formula>formula see original document page 5</formula> 其中，s和r分別表示一個不大于p-l(p是一個自然數(shù)，比如5)的自然數(shù)。d和n 分別表示待轉(zhuǎn)換的人群密度和人數(shù)，f (d)和g(n)分別表示轉(zhuǎn)換之后的人數(shù)和人群密度。而 ds、 ds+1、 d。 cU表示一些已知的人群密度，ns、 ns+1、 n。 nrt表示一些已知的人數(shù)，ds、 ds+1、 d。 drt、 ns、 ns+1、 n。
來自于一個在設(shè)置好攝像頭 監(jiān)控范圍后實測得到的p組按升序排列的人群密度和人數(shù)的對應(yīng)關(guān)系表{(A, n》，(d2， n2) ， ， (dp， np)}。
3.光流法計算人群的流速和流向 通過計算光流，并在光流的基礎(chǔ)上提取出人群的流速和流向。其具體方法如下
首先，選定需要計算人群流速和流向的區(qū)域Im;其次，計算當(dāng)前時刻的光流得到 0Fu(k)和0Fv(k)，其中0Fu(k)和0Fv(k)分別是算得光流矢量的水平分量和垂直分量，k代 表幀數(shù)；接著由
<formula>formula see original document page 6</formula>
將所得光流矢量轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)系下，其中0FP (k)和0Fe (k)分別代表光流的速率 和角度，u、v分別表示水平方向和垂直方向，P表示光流的徑向。 用直方圖法計算光流主導(dǎo)方向是對OFe (k)在M個組作直方圖，通常M選取4或者 8，設(shè)取得最大投票值的組的序號為M^，根據(jù) (2M鵬一l);r 《=- 算得光流的主導(dǎo)方向e c。以e 。為中心，± e 。ffset為左右幅度(比如e 。ffset =
0. 52弧度，相當(dāng)于30度)，選取所有0Fe (k)在這個區(qū)間的像素，并對這些像素的對應(yīng)的 0FP (k)和0Fe (k)求均值得到第k幀的人群流向e p(k)和人群流速P p(k)。 通過多幀的結(jié)果可以求得一段時間內(nèi)的平均人群流向和人群流速。通過實地的勘
測，還可以把人群流向和場景方向結(jié)合起來，并且把人群流速的單位轉(zhuǎn)換為實際物理單位。 4.人群密度和人數(shù)的預(yù)測 在所有監(jiān)控點(diǎn)中，有些監(jiān)控點(diǎn)具有特殊的地位，需要重點(diǎn)關(guān)注，比如交通樞紐、售
票廳、安檢門和廣場。這些地方是人群匯聚的地方，容易發(fā)生突發(fā)事件。如果能夠?qū)@些地
方的人群密度和人數(shù)做未來一段時間內(nèi)(比如5分鐘)的預(yù)測，那么就可以提前做好各種 防護(hù)措施。為了實現(xiàn)對重要地點(diǎn)的人群密度和人數(shù)的預(yù)測，我們根據(jù)各個監(jiān)控點(diǎn)的空間距 離和人流方向建立一個有向圖結(jié)構(gòu)。 如圖2所示的圖結(jié)構(gòu)，A為主節(jié)點(diǎn)(比如某一個廣場)，是需要重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域，用 攝像頭CO進(jìn)行監(jiān)控；B、 D、 E、 F為分節(jié)點(diǎn)，分別用攝像頭Cl、 C2、 C3、 C4進(jìn)行監(jiān)控，S2、 S3、 S4為各個分節(jié)點(diǎn)B、D、E到主節(jié)點(diǎn)A的距離、主節(jié)點(diǎn)A到分節(jié)點(diǎn)F的距離。廣場A在一段時 間之后的預(yù)測人數(shù)值W/為當(dāng)前A區(qū)域?qū)崪y人數(shù)值WA與將來這一段時間內(nèi)可能從B、D、E流 入A中的人數(shù)值WB、 WD、 WE之和，并減去從F流出的人數(shù)值WF，即WA' = WA+WB+WD+WE-WF。實 測人數(shù)Wa已知，只需要求出We、Wc、W。，WF，它們的求解方法相同，這里只給出WB的計算過程。
設(shè)處在攝像機(jī)鏡頭C1下(即區(qū)域B內(nèi))的人數(shù)為W，攝像頭監(jiān)控到的街道長度為 L(人流方向的長度，實地可以勘測得到)，V為監(jiān)控區(qū)域的平均人流速度，Vi為每個流出攝 像頭監(jiān)控范圍的人流分析單元的速度。假設(shè)每經(jīng)過A秒鐘攝像頭抓拍一幀，需要預(yù)測以t。時刻為基準(zhǔn)點(diǎn)時間T。后廣場中的人數(shù)。 設(shè)/ -^為攝像頭下單位長度的人流密度，兩幀之間人流走過的距離為Li = VX A ，得出兩幀之間流出攝像頭監(jiān)控范圍的人數(shù)為& = P Li，以每個&作為一個分析單
元。各個分析單元從攝像頭下到達(dá)廣場所需的時間為；=f ，并且假設(shè)所有走出攝像頭監(jiān)控 范圍的分析單元中到達(dá)廣場A需要時間最長為Ti^，則有 從時刻t。開始每過A秒鐘得到一個分析單元值，相對于基準(zhǔn)點(diǎn)時刻t。來說 每個分析單元到達(dá)廣場的時間分別為T\、 T2+A、 T3+2A、 ...Ti+(i-l) A . . . (i = 1，2，3，
4......)。將這些單元人數(shù)值以T為單位進(jìn)行求和，例如從t。到t。+T時間內(nèi)到達(dá)的人數(shù)
進(jìn)行求和并存入一個數(shù)據(jù)單元，從t。+T到t。+2T時間內(nèi)到達(dá)的人數(shù)求和并放入另一個數(shù)據(jù) 單元，以此類推。并且每過去時間T，之前所獲得的所有的以T為單位的人數(shù)分析單元和的 到達(dá)時間減T。對于不同的最長到達(dá)時間Timax有以下兩種情況 (1)對于T。 < Timax的情況，假設(shè)在t。時刻預(yù)測未來的T。時間后的廣場的人數(shù)。那 么要將通過攝像頭下并且其1\ < T。的所有&加入到廣場的總?cè)藬?shù)中，即『s =;^''加入 后將這些數(shù)據(jù)丟棄。 (2)對于T。 > Timax的情況，除需要加上經(jīng)過攝像頭下并且還未到達(dá)廣場的所有人 數(shù)外還需要對這個時間差值內(nèi)到達(dá)廣場的人數(shù)值進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測方法為用經(jīng)過攝像頭下 的當(dāng)前單位時間內(nèi)的人數(shù)值N。X (T。-TimJ，作為未來(T。-Timax)時間內(nèi)的估計值，將它加入
到廣場的總?cè)藬?shù)中，此時有『s = S^ + ^。 X(K —^皿)。到下一分鐘時，要將廣場的總?cè)藬?shù)
減去前一分鐘的(T。_TiMX)時間內(nèi)的估計值，并且根據(jù)現(xiàn)在時刻的情況用同樣的方法重新進(jìn) 行預(yù)測和累加。 得到重點(diǎn)區(qū)域的預(yù)測人數(shù)之后，可以通過步驟2中的人數(shù)到密度的轉(zhuǎn)換關(guān)系將預(yù) 測人數(shù)轉(zhuǎn)化為預(yù)測密度。 以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任 何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在 本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種大規(guī)模人群密度分析和預(yù)測方法，其特征在于，包括步驟步驟1基于統(tǒng)計特征的人群密度分析對輸入視頻作人群密度分析，獲取單個監(jiān)控點(diǎn)的人群密度值；步驟2采用多段線性擬合實現(xiàn)人群密度和人數(shù)的互相轉(zhuǎn)換；步驟3采用光流法對單個監(jiān)控點(diǎn)中人群流速和流向進(jìn)行計算，獲得單個監(jiān)控點(diǎn)中人群流速和流向信息；步驟4根據(jù)各個監(jiān)控點(diǎn)的空間位置關(guān)系和人群流向流速關(guān)系建立一個有向圖的結(jié)構(gòu)，對重要監(jiān)控樞紐節(jié)點(diǎn)做一段時間內(nèi)的人數(shù)和人群密度預(yù)測。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大規(guī)模人群密度分析和預(yù)測方法，其特征在于，所述多段線 性擬合的人群密度和人數(shù)的互相轉(zhuǎn)換的特征為<formula>formula see original document page 2</formula>人群密度到人數(shù)的轉(zhuǎn)換/(力"^~~+人數(shù)到人群密度的轉(zhuǎn)換<formula>formula see original document page 2</formula>其中，s和r分別表示一個不大于p-1的自然數(shù)，p是一個自然數(shù)；d和n分別表示待轉(zhuǎn) 換的人群密度和人數(shù)，f(d)和g(n)分別表示轉(zhuǎn)換之后的人數(shù)和人群密度；而4、4+1、4、4+1 表示已知的人群密度，ns 、 ns+1 、 nr、 nr+1表示已知的人數(shù)，ds 、 ds+1 、 dr、 dr+1 、 ns、 ns+1 、 nr 、 nr+1來自 于一個在設(shè)置好攝像頭的監(jiān)控范圍后實測得到的P組按升序排列的人群密度和人數(shù)的對 應(yīng)關(guān)系表R， n》，(d2， n2) ， ， (dp， np)}。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大規(guī)模人群密度分析和預(yù)測方法，其特征在于，所述光流法 計算人群流速和流向方法包括如下步驟1)使用光流速率和光流角度計算每個像素點(diǎn)的光流速率OFp(k)和光流角度OFe(k):光流速率OFp(A) = 7《W + 。C)光流角度0&("=<formula>formula see original document page 2</formula>的徑向，0Fu(k)和0Fv(k)`0，)其中，u和v分別代表水平方向和垂直方向，P代表光流矢j 分別是算得光流矢量的水平分量和垂直分量，k代表視頻的幀數(shù)；2)用直方圖法計算光流主導(dǎo)方向是對光流角度OFe(k)在M個組作直方圖，設(shè)取得最 大投票的組的序號為M^，則得到光流主導(dǎo)方向e。 (2Mmax-l);r《3)在光流的主導(dǎo)方向附近計算人群流速和流向，以e 。為中心，± e 。ffsrt為左右幅度，選取所有光流角度OFe (k)在這個區(qū)間的像素，并對這些像素的對應(yīng)的光流速率OFp (k)和光流角度0Fe (k)求均值得到第k幀的人群流向e D(k)和人群流速p D(k)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大規(guī)模人群密度分析和預(yù)測方法，其特征在于，所述重要監(jiān) 控點(diǎn)的人群密度和人數(shù)的預(yù)測如下設(shè)一個重點(diǎn)監(jiān)控點(diǎn)A，重點(diǎn)監(jiān)控點(diǎn)A的當(dāng)前的實測人數(shù)為WA，需要求解的一段時間后的 預(yù)測人數(shù)為W' A，則預(yù)測人數(shù)W'A等于當(dāng)前的實測人數(shù)WA加上從其它節(jié)點(diǎn)即將流入的人數(shù) 并減去即將流入到其它節(jié)點(diǎn)的人數(shù)，跟重點(diǎn)監(jiān)控點(diǎn)A有關(guān)聯(lián)的若個監(jiān)控點(diǎn)分別是B、D、E、F， 從B、 D、 E將流入重點(diǎn)監(jiān)控點(diǎn)A的人數(shù)分別為WB、 WD、 WE，從重點(diǎn)監(jiān)控點(diǎn)A到監(jiān)控點(diǎn)F將流出 的人數(shù)為WF，貝U<formula>formula see original document page 3</formula>而重點(diǎn)監(jiān)控點(diǎn)A的預(yù)測人群密度則根據(jù)人數(shù)到人群密度的轉(zhuǎn)換公式將人數(shù)W' A轉(zhuǎn)換 成密度。
全文摘要
本發(fā)明提出一種大規(guī)模人群密度分析和預(yù)測方法，基于統(tǒng)計特征的人群密度分析對輸入視頻作人群密度分析，獲取單個監(jiān)控點(diǎn)的人群密度值；采用多段線性擬合實現(xiàn)人群密度和人數(shù)的互相轉(zhuǎn)換；采用光流法對單個監(jiān)控點(diǎn)中人群流速和流向進(jìn)行計算，獲得單個監(jiān)控點(diǎn)中人群流速和流向信息；根據(jù)各個監(jiān)控點(diǎn)的空間位置關(guān)系和人群流向流速關(guān)系建立一個有向圖的結(jié)構(gòu)，對重要監(jiān)控樞紐節(jié)點(diǎn)做一段時間內(nèi)的人數(shù)和人群密度預(yù)測。該方法能夠自動實時監(jiān)控大范圍內(nèi)的人群密度和人數(shù)分布，并且能對重要地點(diǎn)做人群密度和人數(shù)的預(yù)測，所提供的信息對于人群監(jiān)控部門具有重要的參考價值。
文檔編號G06K9/00GK101751553SQ20081023887
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月3日
發(fā)明者李敏, 譚鐵牛, 黃凱奇 申請人:中國科學(xué)院自動化研究所